Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung
der Sauerstoffsättigung in menschlichen Gefäßen und
Organen mit einem Meßsensor mit mindestens zwei
Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlängen -
vorzugsweise von 660 nm und 940 nm - und mit mindestens
einem Empfänger, der das von den an Hämoglobin
gebundenen Sauerstoffpartikeln in dem angestrahlten
Gefäß oder Organ transmittierte und reflektierte Licht
aufnimmt und als elektrisches Signal an ein
Pulsoximeter zur Auswertung des Meßergebnisses und
Ausgabe auf einer Anzeigevorrichtung weiterleitet.
Es ist bekannt, den Sauerstoffgehalt im Blut
menschlicher Gefäße mittels Pulsoximetrie zu bestimmen.
Hierzu werden in der Regel zwei Lichtquellen, die
vorzugsweise Licht der Wellenlänge von 660 nm (roter
Bereich) und 940 nm (infraroter Bereich) emittieren,
z. B. Dioden, und ein Empfänger benutzt, der die
ausgestrahlten und vom Gewebe reflektierten oder
transmittierten Lichtwellen aufnimmt. Das vom
Empfänger, z. B. einem Fotodetektor, aufgenommene Licht
wird als elektrisches Signal an einen Pulsoximeter
weitergeleitet. Das Pulsoximeter wertet diese Signale
aus und zeigt einen dem vorliegenden Sauerstoffgehalt
proportionalen Meßwert an einem mit dem Pulsoximeter
verbundenen Anzeigevorrichtung an.
Um an die Meßstelle gelangen zu können, werden Katheter
über künstliche und natürliche Körperöffnungen an den
Meßort gebracht. Im Katheter sind Lichtleiter für die
Lichtquellen und den Empfänger vorgesehen, die jeweils
am distalen Ende des Katheters enden.
Es hat sich gezeigt, daß bei Gebrauch solcher Katheter
Schwierigkeiten z. B. bei der Rechtsherzkathetermessung
auftreten. Zur Stabilisierung des vital bedrohenden
Zustandes z. B. nach Herzinfarkt muß die Herzfunktion
mitunter invasiv überwacht werden. Hierzu wird wegen
den großen Durchmessern der Katheter eine der großen
Venen (Vena Subclavia/Vena Jugularis) entsprechend
der Technik nach Seldinger punktiert. Über diesen
künstlichen Zugang wird ein Ballonkatheter mit dem
Blutstrom eingeschwemmt (Swan-Ganz-Katheter). Beim
Arbeiten entgegen den Blutstrom sind hierzu bekannte
Techniken zu verwenden. Während der Punktion und des
anschließenden Vorschubes in den Gefäßen kommt es zur
Beschädigung der Gefäßwand mit der Möglichkeit einer
konsekutiven Dissektion, Perforation, Thrombosen,
Auslösen einer Embolie, sowie an der Punktionsstelle
selbst, nicht selten zur Ausbildung von
Pseudoaneurysmen bzw. arteriovenösen Fisteln. Die
Sanierung dieser Vorfälle erfordert mit unter einen
operativen Eingriff.
Bei beiden Methoden besteht eine hohe
Komplikationsmöglichkeit. Während der Punktion und des
Vorschubes in den Gefäßen kommt es zu Beschädigungen
oder Perforation der Gefäßwand insb. bei Verzweigungen
und Krümmungen sowie latent entlang der Gefäßwandung.
Ferner droht durch das Bewegen des Katheters eine
mechanisch verursachte Loslösung von Ablagerungen an
Gefäßwänden, die zu Thrombosen und Embolien führen
können.
Zusätzlich treten Herzreizung auf, die
Herzrhythmusstörungen und bei Kontakt des Katheters mit
der Herzmuskulatur Kammerflimmern auslösen können, das
auch bei großer Sorgfalt mitunter nicht therapeutisch
beherrschbar ist. Zur Abwendung eines dann drohenden
Herzversagens wird dem so vital bedrohten Patienten
durch Einsatz eines Defibrillators Elektroschocks
verabreicht, die neben den vegetativ nachteiligen
Auswirkungen starke körperliche Belastungen bedingen.
Für die Messung selbst ist es erforderlich, daß die
Katheterlage während der Messung nicht durch Bewegungen
gestört wird, um eine Verfälschung des Meßergebnisses
auszuschließen und um eine reproduzierbare Messung zu
gewährleisten. Gerade aber in der Nähe des schlagenden
Herzens kommt es bei dieser Methode zu unerwünschten
Verfälschungen des Meßergebnisses, da sich durch die
aus der Herztätigkeit resultierenden starken
Druckschwankungen der Katheter während der Messung
nicht ruhig halten läßt. Eine Reproduzierbarkeit für
Vergleichsmessungen ist daher ebenfalls schwer
erzielbar.
Zwar könnte der Katheter mit dem Meßsensor für die
Messung auch durch den ösophagus in die Nähe der
Pulmonalarterie gebracht werden, hierbei ist jedoch
eine Lokalisierung der Pulmonalarterie mit der
notwendigen Genauigkeit praktisch unmöglich, da dem
behandelndem Arzt Anhaltspunkte fehlen, an welcher der
dort zahlreich vorhandenen, sauerstoffreiches Blut
führenden Arterien der Sauerstoffgehalt tatsächlich
gemessen wird. Demnach ist es nicht gewährleistet, daß
die Messung tatsächlich an der Pulmonalarterie
durchgeführt wird. Ein derartes Messergebnis erlaubt es
dem behandelnden Arzt nicht zweifelsfreie Diagnostik
und entsprechend fundierte Therapie zu betreiben.
Vergleiche mit anderen Meßergebnissen unter Benutzung
medizinischer Erfahrungswerte sind daher ebenfalls
nicht durchführbar.
Eine äußerliche Messung des Sauerstoffgehalts von
tiefer gelegenen Gefäßen und Organen ist mit bekannten
Messensoren nicht durchführbar.
Für eine Anordnung, die es erlaubt unter Verzicht auf
risikoreiche arterielle oder venöse Zugänge den
Sauerstoffgehalt von Gefäßen, insbesondere der
Pulmunalarterie sowie tiefer liegende Gefäße oder
Organe zweifelsfrei zu identifizieren und den
Sauerstoffgehalt des ausgewählten Gefäßes zu messen,
besteht erheblicher Bedarf, da bisher invasiv.
Hier abzuhelfen ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
gemäß der eine Anordnung zuschaffen ist, die das Messen
des Sauerstoffgehaltes in Gefäßen ermöglicht, ohne
einen invasiven Eingriff (Punktion) am Patienten
vornehmen zu müssen, wobei der Bereich des Meßortes des
für die Messung auszuwählenden Gefäßes mit der gesamten
Anordnung risikoarm, reproduzierbar und sicher
lokalisierbar und die Meßstelle auf einer
Anzeigevorrichtung darstellbar sind.
Die Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß
dem Meßsensor zur Lokalisierung eines auswählbaren
Gefäßes oder Organs ein weiterer Meßsensor zugeordnet
ist und beide Meßsensoren als eine gemeinsam
handhabbare Baueinheit ausgebildet sind.
Nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
dem Meßsensor zur Lokalisierung ein Ultraschallwellen
aussendender Sonographie-Sender-/Empfänger zugeordnet,
verlaufen die emittierten Ultraschallwellen und die
Lichtwellen der Lichtquellen im wesentlichen in
gleicher Richtung, und sind der Meßsensor und der
Sonographie-Sender/-Empfänger zu einem, eine
Sensoreinheit bildenden Katheter zusammengefaßt.
Durch die Erfindung wird der Meßsensor nach dem ersten
Ausführungsbeispiel mit einem Ultraschallwellen
aussendenden Sonographie-Sender/-Empfänger kombiniert,
so daß ein genaues Positionieren nach dem Einführen der
Meßanordnung durch den Mund und Rachen in die
Speiseröhre möglich wird.
Ein weiterer Vorteil des mit Ultraschallwellen
aussendendem Sonographie-Sender/-Empfänger
ausgestatteten Meßsensors ist die unverfälschte
Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse, da mittels der
Ultraschallwellen aussendende Sonde die Meßstelle
eindeutig lokalisierbar ist und dadurch alle Messungen
ausschließlich von dem tatsächlichen Sauerstoffgehalt
im Blut des angestrahlten Gefäßes oder Organs des
Patienten abhängen und das Meßergebnis nicht von der
Auswahl falscher Meßstellen beeinflußt wird. Die
erfindungsgemäße Anordnung gewährleistet zudem auch
eine Überwachung der Meßstelle während der Messung.
Nachteilige Störungen für die Messung des
Sauerstoffgehaltes im gewünschten Gefäß oder Organ
aufgrund von Herzschlägen oder Blutströmungen sind
weitgehend ausgeschlossen. Befindet sich die Anordnung
während der Messung z. B. im ösophagus treten
Verfälschung des Meßergebnisses nicht auf, da
sogenannte Bewegungsartefakte reduziert sind.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind
die Lichtquellen und der Empfänger lösbar mit dem
Sonographie-Sender/-Empfänger verbunden, oder ist der
Sonographie-Sender/-Empfänger mit den Lichtquellen und
dem Empfänger fest verbunden und am distalen Ende des
den Pulsoximetriesensor tragenden Katheters integriert.
Nach einem zweiten Ausführungsbeispiel sind auch tiefer
liegende Gefäße gezielt auswählbar und deren
Sauerstoffgehalt meßbar, indem der Meßsensor zwei um
jeweils einen Winkel zu einer Hochachse schwenkbare
Strahlengänge zweier lichterzeugender und -
übertragender Systeme aufweist, die sich in einem
Schnittpunkt auf der Hochachse schneiden und denen
mindestens ein gemeinsamer Empfänger zugeordnet ist.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn jedes lichterzeugende
und -lichtleitende System zueinander justier- und
feststellbar ein Objektiv, Kollimatorobjektive und
Lichtquellen in einem Tubus aufweist, wobei der Tubus
im Bereich des Objektives ein Fußgelenk aufweist, sowie
die Empfänger in einem, symmetrisch zur Hochachse
angeordnete Fußgelenke aufweisenden Empfängergehäuse
parallel zur Hochachse angeordnet sind. Jeweils ein
Rot- und ein Infrarot-lichterzeugendes und -leitendes
System sind im jeweiligen Fußgelenk des
Empfängergehäuses zur Hochachse schwenkbar gelagert und
durch Stellmittel in jeweils einem Winkel zur Hochachse
justier- und mittels Klemmittel feststellbar.
Schließlich ist den lichterzeugenden und -leitenden
Systemen sowie den Empfängern eine flexible Abdeckung
zur Fremdlichtabschirmung zugeordnet.
Bei Messungen der Sauerstoffsättigung mit dieser
Ausführungsform der Erfindung, die von allen Stellen
des Körpers aus durchgeführt werden können, werden
invasive Eingriffe vermieden, so daß die physische und
psychische Sekundärbelastung des Patienten erheblich
vermindert ist. Andere Risikofaktoren wie
beispielsweise Herzreizungen oder Perforationen, werden
durch die erfindungsgemäße Anordnung vermieden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Die Erfindung ist nachfolgend an Hand drei in der
Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellter
Ausführungsbeispiele beschrieben.
Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung der erfindungsgemäßen
Anordnung mit einem Meßsensor zur
intraösaphagealen Anwendung,
Fig. 2 einen Schnitt durch ein zweites
Ausführungsbeispiel der Erfindung nach
Fig. 1 mit zwei Licht emittierenden
Dioden, einem Empfänger und einem
übergestülpten Sonographie-Sender/-
Empfänger, die dem gemeinsamen distalen
Ende eines Katheters zugeordnet sind,
Fig. 3 einen Schnitt durch ein drittes
Ausführungsbeispiel der Erfindung nach
Fig. 1 mit gleichen Bauteilen wie nach
Fig. 1, jedoch in den Meßsensor und den
Sonographie-Sender/-Empfänger umfassender
integraler Bauweise am distalen Ende des
Katheters und
Fig. 4 eine Darstellung der erfindungsgemäßen
Anordnung mit einem Meßsensor zur externen
Anwendung.
In Fig. 1 ist ein in der Medizintechnik an sich
bekannter flexibler Katheter 5 dargestellt, der mit
einem noch zu beschreibenden Meßsensor MS versehen und
der in einem in die menschliche Speiseröhre 20
eingeführten Zustand gezeigt ist. Der Meßsensor MS ist
hier nur schematisch dargestellt und befindet sich in
der abgebildeten Position an einer intraösophagealen
Meßstelle 21.
In dem Katheter 5 sind an sich bekannte, hier nicht
dargestellte Mittel angeordnet, mit der das distale
Ende des Katheters 5 beim Einführen des Katheters in
die Speiseröhre 20 eines Menschen von außen durch einen
behandelnden Arzt zur Bestimmung des z. B. in der
Pulmonalarterie herrschenden Sauerstoffgehaltes führ-
und positionierbar ist.
Der Katheter 5 weist, wie Fig. 3 zeigt, am distalen
Ende 6 mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen
emmittierende Fotodioden 9 und 10 auf. Vorzugsweise
strahlt die Fotodiode 9 Licht mit der Wellenlänge von
660 nm (roter Bereich) und die Fotodiode 10 Licht mit
der Wellenlänge von 940 nm (infraroter Bereich) aus.
Diese unterschiedlichen Lichtquellen werden durch hier
nicht dargestellte in einem Pulsoximeter 15 angeordnete
Schaltmittel gleichzeitig oder wechselweise in
vorbestimmtem Zeitabstand aktiviert.
Mindestens ein Empfänger 11, der ebenfalls am distalen
Ende 6 des Katheters 5 angeordnet ist, nimmt das von
dem angestrahlten Gefäß oder Organ reflektierte Licht
auf und leitet das Lichtsignal als entsprechendes
elektrisches Signal über in dem Katheter 5
untergebrachte Leitungen an den Pulsoximeter 15 nach
außen weiter. Im Pulsoximeter 15 werden dann in
bekannter Weise aus diesen Signalen zur an der
Meßstelle im Gefäß vorliegenden Sauerstoffgehalt
proportionale Meßwerte errechnet und auf einer
Anzeigevorrichtung 19 angezeigt.
Bekanntlich wird das emittierte Licht abhängig vom
Sauerstoffgehalt der im das Gefäß durchströmenden Blut
enthaltenen Hämoglobinpartikel unterschiedlich stark
absorbiert. Hämoglobinpartikel sind entweder mit
Sauerstoff oxigeniert oder sauerstoffarm.
Werden also die im Blut auftretenden Hämoglobinpartikel
mit zwei oder mehreren unterschiedlichen, abwechselnd
oder gleichzeitig von einander ausgesandten Frequenzen
angestrahlt so absorbieren die Hämoglobinpartikel die
unterschiedlichen Lichtwellenlängen je nach dem
vorliegenden Sauerstoffgehalt verschiedenartig, und es
entsteht eine meßbare Absorptionsdifferenz über die die
Sauerstoffsättigung des Blutes am Meßort berechnet
werden kann.
Dem distalen Ende 6 des Katheters 5 ist - wie Fig. 3
zeigt - ein Sonographie-Sender/-Empfänger DS
zugeordnet, die als abnehmbare Einheit 14 mit dem aus
geeignetem Trägermaterial ausgebildeten distalen Ende 6
des Katheters 5 lösbar verbunden ist. Die Verbindung
der abnehmbaren Einheit 14 und dem distalen Ende 6 des
Katheters 5 erfolgt mittels federnder, am Katheter oder
der Einheit 14 angebrachter, die Einheit 14 haltenden
Klemmbleche 16, die im verbundenen Zustand eine feste,
aber lösbare Verbindung gewährleisten. Der Sonographie-
Sender/-Empfänger DS ist derart im Bereich des distalen
Endes des Katheters angeordnet, daß die Strahlung
radial emittiert wird.
Über den Sonographie-Sender/-Empfänger DS erfolgt beim
Einführen in eine natürliche Körperöffnung - z. B. in
den Ösophagus 20 - die Positionierung des
Pulsoximetriesensors MS. Über den Sonographie Sender/-
Empfänger DS wird der Meßort, an dem die Messung
vorgesehen ist ausgewählt und dann die
Sauerstoffsättigung durch den Pulsoximetersensor MS im
Bereich des Meßortes aufgenommen und an der
Anzeigevorrichtung visualisiert. Der Meßort kann
hierbei sowohl ein blutführendes Gefäß, als auch ein
Organ sein.
Die von dem Sonographie-Sender/-Empfänger DS
ausgesandten Ultraschallwellen verlaufen infolge der
radialen Ausrichtung in gleicher Richtung zu den Achsen
der Emmissions-Maxima der Fotodioden 9 und 10.
Die Reflexionssignale des Sonographie-Senders/-
Empfängers DS werden in bekannter Weise durch den
Katheter 5 nach außen an ein Sonographiegerät 17
übermittelt, so daß auch während der eigentlichen
Messung des Sauerstoffgehaltes in einem Gefäß oder
Organ die Ultraschallwellen ein Signal liefern, das auf
dem nicht gezeigten Monitor des Sonographiegerätes
darstellbar ist. Ein behandelnder Arzt kann durch
Beobachten des visualisierten Meßsignals von außen
permanent sicherstellen, daß die Meßposition während
der Messung beibehalten wird.
Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und 3 zeigt
ebenfalls einen Meßsensor MS und einen Sonographie-
Sender/-Empfänger DS am distalen Ende 6 eines Katheters
5. Unterschiedlich zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 3
ist, daß der Sonographie-Sender/-Empfänger DS in dem
distalen Ende 6 des Katheters 5 integriert, also mit
dem Katheter 5 fest verbunden ist.
Die Lokalisierung einer Meßstelle kann auch mit Hilfe
von Differenzdruckspectren einer Druckmeßsonde
erfolgen, die anstelle eines Sonographie-Sender-
/Empfängers mit dem Meßsensor der Sensoreinheit
verbunden ist.
Eine weitere Ausführungsform des Meßsensor MS für die
externe, nichtinvasive Messung des Sauerstoffgehalts
von tiefer liegenden Meßorten ist aus Fig. 4
ersichtlich. Ein Empfängergehäuse 32 weist symmetrisch
zur Hochachse y in exzentrischem Abstand Fußgelenke 33
und 33′ auf, in denen jeweils ein Tubus 31 bzw. 31′ zur
Hochachse schwenkbar gelagert ist.
An jedem Tubus sind an den den Fußgelenken 33 bzw. 33′
gegenüberliegenden Enden Laschen 34 bzw. 34′
vorgesehen, in denen Gewindemuttern 35 und 36 gelenkig
gelagert sind. Die Gewindemuttern 35 und 36 weisen
jeweils Links- bzw. Rechtsgewinde auf, in die jeweils
die Gewindespindel 37 und 38 einer Justierschraube 39
eingreifen, um die Winkelstellung der Tubi zueinander
zu verändern.
Der im Schnitt in Fig. 4 gezeigte Tubus 31 weist im
Bereich des Fußgelenkes 33 ein Objektiv 50 bestehend
aus einer an den Austrittsenden des Tubus 31
angeordneten Plankonkavlinse 51 und einer im tiefer im
Tubus 31 liegenden, im Durchmesser größeren,
Plankonvexlinse 52 aus. Die Planseiten der
Plankokavlinse 51 und der Plankonvexlinse 52 sind
einander zugewandt und im Tubus 31 in justierbarer
Fassung angeordnet. Auf der Konvexseite der
Plankonvexlinse 52 sind in einer ebenfalls justierbaren
Fassung wenigstens zwei Kollimatorobjektive 60 und 61
in zur optischen Achse des Objektives 50 exzentrischen
Anordnung gefaßt. Der optischen Achse des
Kollimatorobjektives 60 ist eine Rotlichtquelle 70 und
der optischen Achse des Kollimatorobjektives 61 eine
zweite Rotlichtquelle 71 derart zugeordnet, daß
zwischen den Kollimatorobjektiven 60 und 61 und dem
abbildenden Objektiv 50 telezentrischer Strahlengang
herrscht. Das Objektiv vereinigt die Strahlengänge der
Kollimatorobjektive 60 und 61 und bildet diese nach
Unendlich kollinear ab. Der Tubus 31′ enthält die
gleiche optische Anordnung wie der vorstehend
beschriebene Tubus 31, jedoch sind als Lichtquellen
Infrarotlichtquellen vorgesehen. Jeder Tubus 31 und 31′
bildet jeweils ein lichterzeugendes und -übertragendes
System für Rotlicht bzw. Infrarotlicht.
Zur Abschirmung von Fremdlicht ist eine nachgiebige
Abdeckung 30 aus lichtundurchlässigem Material den
Austritts- bzw. Eintrittsöffnungen der lichterzeugenden
und -leitenden Systeme bzw. des Empfängergehäuses
zugeordnet.
Im Empfängergehäuse 32 sind exzentrisch zur Hochachse y
Empfänger 80 entsprechender spektraler Empfindlichkeit
vorgesehen, deren sensitive Maxima annähernd parallel
zur Hochachse y ausgerichtet sind.
Die von den Lichtquellen 70 und 71 emittierten und mit
den Kollimatoren 60 und 61 und dem Objektiv 50 jedes in
gleichem Winkel alpha zur Hochachse geschwenkten Tubus
31 und 31′ projizierten Strahlenbündel schneiden die
nach unten verlängerte Hochachse y im Schnittpunkt SP.
Durch Verstellung der Justierschraube 39 kann der
Winkel der Strahlengänge beider lichterzeugenden und
-übertragenden Systeme derart verstellt werden, daß der
Schnittpunkt beider Strahlengänge entlang der Hochachse
y einstellbar ist.
Zur Messung des Sauerstoffgehalts eines tiefer im
Gewebe liegenden Gefäßes oder Organs wird die Anordnung
flächig mit der Langseite der Abdeckung auf die Haut
aufgelegt, so daß der Schnittpunkt SP im Gewebe liegt.
Die Empfänger 80 detektieren den reflektierten Anteil
des Lichtes beider lichterzeugenden und -übertragenden
Systeme und geben diesen als elektrisches Signal an das
Pulsoximeter weiter.
Durch Drehen der Justierschraube kann der Schnittpunkt
SP entlang der Hochachse y ein in diesem Bereich
liegendes Gefäß B oder Organ lokalisiert und die
Sauerstoffsättigung gemessen werden. Der Antrieb der
Gewindespindel kann auch zur Automatisierung des
Lokalisierungsvorganges eines Meßortes mit einem
motorischen, von einer Konsole aus betätig- bzw.
steuerbaren Stellglied z. B. mit einem
programmgesteuerten Schrittmotor erfolgen. Bei einer
miniaturisierten Ausführung kann auch ein
Piezoelektrischer Aktuator die Schwenkbewegung der
lichterzeugenden und -leitenden Systeme
bewerkstelligen.
Die Tubi 31 und 31′ der lichterzeugenden und -leitenden
Systeme sind mit einer Befestigungsvorrichtung 40 in
der eingestellten Lage fixierbar. Die
Befestigungsvorrichtung 40 besteht aus zwei jeweils
einends mit dem Tubus 31 bzw. 31′ gelenkig verbundenen,
Skalierungen aufweisenden Bügel 41 und 41′, in denen
Schlitze 42 und 42′ eingebracht sind, in der eine
Klemmschraube 43 mit entsprechender Gegenmutter
angeordnet ist.
Dem Meßsensor MS kann entsprechend den
Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1, 2 und 3 ein
in Fig. 4 der Übersichtlichkeit halber nicht
dargestellter Sonographie-Sender/-Empfänger DS, mit zur
Hochachse angeordneter Strahlungsrichtung zugeordnet
sein.